Ils parviennent à expliquer pourquoi des objets très massifs se sont formés dans les premiers instants d’existence de l’univers

La question de la formation des grandes structures de l’univers (galaxies, amas, trous noirs…) est l’une des plus anciennes de la cosmologie.

Cependant, à partir des années 1980, les cosmologistes ont pris conscience d’un élément clé de ce processus : les fluctuations quantiques.

Ce sont des changements d’énergie à des points spécifiques de l’espace-temps qui, selon le modèle de l’inflation cosmique, ont été décisifs dans la formation de ce qui allait devenir les morceaux de matière dans notre univers. L’inflation cosmique est une proposition largement acceptée pour expliquer l’expansion rapide de l’univers dans ses premiers instants d’existence.

Jusqu’à récemment, on croyait que les grandes structures que nous voyons aujourd’hui dans notre univers, comme les amas de galaxies avec des dizaines de milliers de galaxies, se seraient nécessairement formées beaucoup plus tard, du moins après les structures vues dans le rayonnement de fond cosmique micro-ondes, qui aurait pris naissance environ 379 000 ans après le Big Bang, la colossale “explosion” avec laquelle l’univers est né.

Cependant, des observations à fort redshift Doppler ont montré l’existence d’objets “qui ne devraient pas être là” selon le modèle standard de la cosmologie, formés seulement quelques centaines de millions d’années après la création de l’univers, comme l’amas de galaxies d’El Gordo. ou les galaxies massives de l’enfance de l’univers vues par le télescope spatial James Webb.

El Gordo, le plus grand amas de galaxies lointaines observé à ce jour, a été découvert en 2014. « El Gordo est un objet très massif qui a dû se former très tôt et dont l’existence ne pouvait pas être expliquée avec les modèles précédents », explique Juan García-Bellido, co-auteur de la nouvelle étude et chercheur à l’Institut de physique théorique (IFT), un centre commun de l’Université autonome de Madrid (UAM) et du Conseil supérieur de la recherche scientifique (CSIC), en Espagne, toutes ces institutions.

Ces amas de plusieurs dizaines de milliers de galaxies n’ont pu, en théorie, se former que bien plus tard. “C’était surprenant de trouver des objets aussi massifs si tôt. Il a donc fallu trouver une explication”, explique le physicien.

Il y a des années, les auteurs de la nouvelle étude (Juan García-Bellido, José María Ezquiaga de l’Institut Niels Bohr et Vicent Vennin de l’Université de Paris) ont réalisé que les fluctuations quantiques pendant la phase d’inflation affectaient cette dynamique d’accélération de l’univers.

Avant la présente étude, on croyait que la distribution statistique de ces fluctuations quantiques pendant la période d’inflation cosmique formait un graphique très concret, connu sous le nom de cloche gaussienne. Mais les chercheurs ont réalisé qu’en appliquant des équations qui nous permettent d’aller un peu plus loin, nous obtenons en réalité une distribution non gaussienne, qui a une région de «queue».

« Cela indique que ces fluctuations pourraient s’effondrer dans de grandes structures, des galaxies, des amas ou même des structures plus grandes. Alors qu’avec l’hypothèse précédente, où nous avions une fonction de type gaussienne, ces structures mettraient beaucoup plus de temps à se former en raison de l’effondrement gravitationnel », explique en détail Juan García-Bellido.

Autrement dit, avec une fonction de type gaussienne, ces structures prendraient beaucoup plus de temps à se former, de sorte que des structures aussi grandes et anciennes qu’El Gordo ne pourraient pas être expliquées. Cependant, le résultat de la nouvelle étude, qui donne des fonctions qui présentent cette “queue”, expliquerait la formation de grandes structures très massives très tôt dans l’histoire de l’univers, bien plus tôt que ne l’exigerait un effondrement gravitationnel.

Les sources lumineuses blanches brillantes entourées d’une lueur brumeuse sont les galaxies de l’amas de Pandore. (Photo : NASA / ESA / CSA / Ivo Labbe (Swinburne) / Rachel Bezanson (Université de Pittsburgh). Traitement d’image : Alyssa Pagan (STScI))

Dans une interview avec Ingrid Fadelli pour Phys.org, Ezquiaga explique comment lui et ses collègues García-Bellido et Vennin se sont consacrés à l’étude de la formation des trous noirs primordiaux dans l’univers primitif : “Notre principale contribution a été de réaliser que lorsque les fluctuations quantiques dominent la dynamique de l’inflation cosmique, cela conduit à un spectre de fluctuations de densité non gaussiennes, avec de fortes queues exponentielles. En d’autres termes, la diffusion quantique facilite la génération de grandes fluctuations, s’effondrant dans de grandes structures, comme un trou noir primordial.

Ce que nous avons réalisé pour ce travail est que “le même mécanisme qui conduit à la formation de trous noirs primordiaux, une queue non gaussienne améliorée dans la distribution des perturbations primordiales, affecterait l’effondrement d’objets plus grands, tels que les halos de matière noire, qui abritera plus tard des galaxies et des groupes de galaxies », explique-t-il dans l’interview.

Ce qui est intéressant dans cette proposition, c’est que grâce à ces queues exponentielles non gaussiennes, les chercheurs peuvent donner une explication, par exemple, aux récentes observations du télescope spatial James Webb.

Depuis son lancement début 2022, James Webb fait des détections très intéressantes qui s’expliquent désormais par ce nouveau résultat. Par exemple, les galaxies avec des redshifts très élevés. Le décalage vers le rouge ou redshift est un concept qui fait référence à l’âge des objets astronomiques. Elle est définie comme une augmentation de la longueur d’onde du rayonnement électromagnétique reçu par un détecteur par rapport à la longueur d’onde émise par la source.

“Nous savons maintenant qu’il était déjà possible de générer très tôt des trous noirs massifs, et que cela a contribué à générer les germes des premières galaxies”, explique García-Bellido.

De plus, la formation d’objets plus grands que prévu dans l’enfance de l’univers, parfaitement expliquée par ce nouveau résultat, contribue à apaiser certaines tensions entre les observations et notre modèle cosmologique standard. Comme Ezquiaga l’a expliqué à Phys.org : “Par exemple, sous des hypothèses standard, des amas massifs comme El Gordo peuvent sembler atypiques, alors que la diffusion quantique les rend naturels.”

Les chercheurs ont utilisé des méthodes informatiques pour calculer la fonction, qui modifie l’évolution classique. En utilisant l’équation de Fokker-Planck, qui tient compte de cette dynamique des fluctuations quantiques, on obtient une fonction de type elliptique et log-normale, et non de type gaussien.

Ce nouveau graphique est celui qui donne la plus forte probabilité d’effondrement pour les trous noirs primordiaux, les premières galaxies et pour les objets très massifs comme l’amas d’El Gordo.

“Il fallait prendre en compte les informations non linéaires et ouvrir l’esprit”, reconnaît García-Bellido. “Le nouveau résultat explique les non-gaussianités des structures à grande échelle, que nous commençons enfin à mesurer avec des catalogues de galaxies.” En fin de compte, ces fluctuations à queue non gaussienne nous aident à expliquer le comportement à grande échelle de l’univers.

A l’avenir, les chercheurs espèrent continuer à compléter le modèle cosmologique standard en prenant en compte les observations des télescopes du ciel profond, et dont la formation pourrait correspondre à cette dynamique de fluctuations quantiques au stade de l’inflation cosmique, comme le montre le résultat.

La nouvelle étude permet également à Juan García-Bellido de faire une réflexion intéressante du point de vue de l’histoire des sciences : « Il y a des décennies, de nombreuses années se sont écoulées entre la théorie et l’application expérimentale. Par exemple, la relativité générale n’a pu être appliquée que dans les années 1960, ou la particule de Higgs a été découverte près d’un demi-siècle après sa théorisation », explique-t-il. « J’ai la chance de travailler à une époque où observations expérimentales et prédictions théoriques peuvent aller de pair, pendant au moins 20 ans », conclut-il.

L’étude est intitulée “Massive Galaxy Clusters Like El Gordo Hint at Primordial Quantum Diffusion”. Et il a été publié dans la revue académique Physical Review Letters. (Source : UAM)